300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究

江建锋1 潘维加2

（1、耒阳电厂，湖南 衡阳 421800 2、长沙理工大学，湖南 长沙 410077）

摘要: 针对目前300MW单元火力发电机组已有的三种协调运行方式，运用MATLAB工具对其数学模型进行了协调主控系统的仿真研究，并对每种运行方式进行了扰动试验及系统鲁棒性的分析。

关键词: 300MW单元火力发电机组 数学模型 协调控制 仿真 鲁棒性

Simulation studying about the coordinated control system of 300MW unit power

Jiang Jian-feng1 Pan Wei-jia2

(1．Hunan province,LeiYang Power Plant Hengyang 421800,China 2、Changsha University of Science Technology,Changsha 410077,China)

Abstract: Aiming at the three kinds of coordinated run manners exiting in today’s 300MW unit thermal power. To some mathematical model, we make simulation studying about the main coordinated control system by using the tool of MATLAB. And we study the disturb influence of each run manners and make robustness test of the coordinated control system.

Keywords: 300MW unit thermal power; Mathematical model;Coordinated control Simulation; Robustness

2 、国厂

1、 概述

300MW燃煤机组的动态

特性数学模型

[1][4]

当前，随着大型发电机组的日益增多，大容量机组的汽机和锅炉都是采用单元制运行方式,即一台汽机配一台锅炉。在这种运行方式下，锅炉和汽机、发电机已结合成一个联合的调节对象，以其内部的协调配合来最大限度地满足电网的负荷要求。协调机组的内部关系，就也成为单元机组主控系统所要解决的问题。

单元机组主控系统是讨论整个协调控制系统的核心，是整个单元机组自动调节系统的前置装置，它把外部对单元机组的负荷要求信号进行处理，使它转化为适合于机、炉运行状态和变动负荷能力并发出使机、炉配合动作的指令。

2.1数学模型

建模过程首先采用机理分析法,得到机组的一组非线性模型,在不同的负荷点上进行线性化处理,通过仿真试验得到各主控制输入下的阶跃响应数据曲线,最后用加权最小二乘法拟合出有关输入输出之间的传递函数.使用的量纲系数为:ΔPT ,MPa;ΔN,MW; ΔB,t/h; Δμ,%(汽轮机同步器开度).

在100%负荷上的动态数学模型

μT NE

W11W12 W21 W22 B PT 图2.1机组对象特性方框图

传递函数为

205s10.124P128s1211.7s1TN311s12.069149s1222.4s10.960.1390.04B70s14.665s582s250s14.1s13.2仿真结果及其分析

3.2.1 在Matlab的工作界面下，根据图3.1所示将仿真方框图连接好。

①仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图3.2（a）所示；

②仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图3.2（b）所示；

其中：

0.96W11= 4 .665 s W12= 0.1390.04582s50s14.1s170s1

2311s1W21= 2 .0690.124 W22=

149s122.4s12

205s1128s1211.7s12.2对象特性仿真及其结果 在MATLAB仿真界面中，按照图2.1所示连接好后，仿真结果如图2.2、2.3。

图2 .2调节门开度扰动 图2.3锅炉燃烧率扰动 下机炉两侧响应曲线 下机炉两侧响应曲线

3.2.2 仿真过程中现象分析

① 当汽机主控器中比例增益增大时，机炉两侧趋于稳定的时间将变短，超调量减小；积分增益改变时，两侧输出响应的超调量和趋于稳定时间都将改变。 ② 当锅炉主控器中比例增益增大时，主汽压力控制的品质将有所改善，相应的功率侧输出响应的超调量将会变大；积分增益增大时，主汽压力输出响应的超调量将减小，而功率侧输出响应的超调量将会增加。

③ 当解耦系数K增大时，功率侧的控制品质将进一步得以改善，不过对应的汽机侧的控制效果将变差。

图3.2（a）功率定值 图3.2（b）主汽压力定值 扰动下响应曲线 扰动下响应曲线

3、炉跟机控制方案的仿真研究

3.1原理方框图(如图3.1所示)

– N0 μ PI+ K + P0 Ｂ NE PI+ + – 3.2.3 较好控制效果的参数范围 ① 汽机主控制器：

δ: 4~20 ki: 0.15~0.5 ② 锅炉主控制器：

δ: 0.6~2 ki: 0.007~0.04

图3.1炉跟机控制方案原理方框图

③ 解耦系数K: 4~30

3.2.4 最佳参数配置

① 汽机主控制器：δ=10 ki=0.2 ② 锅炉主控制器：δ=1 ki=0.01 ③ 解耦系数K=8

3.3对扰动的仿真与分析 3.3.1 在最佳参数配置下：

后可得锅炉侧对象参数的变化范围为K：0.4138~4.138；T：300~500

4、机跟炉控制方案的仿真研究

4.1原理方框图（如图4.1）

– P0 + + μ PT ①仅在对象前汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的 + 响应输出如图3.3（a）所示； ②仅在对象后汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的 K 响应输出如图3.3（b）所示； PI Ｂ N③仅在对象前锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的N0 + E – 响应输出如图3.4（a）所示； ④仅在对象后锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的 响应输出如图3.4（b）所示 图4.1机跟炉控制方案原理方框图

PI3.3.2仿真结果

4.2仿真结果及其分析

4.2.1 在Matlab的工作界面下，根据图4.1所示将仿真方框图连接好。

①仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图4.2（a）所示；

②仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图4.2（b）所示；

4.2.2 仿真过程中现象分析。

图3.3（a）对象前汽机 图3.4（a）对象前锅炉 侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线

① 当机炉主控器中的比例增益增大时,汽机侧响应输出的超调量将减小,趋于稳态的时间变大,锅炉侧响应输出并没有明显的变化;当积分增益增大时,汽机侧响应输出的超调量没有很明显的变化,而趋于稳态的时间会变小,锅炉侧响应输出的仍旧没有明显的变化,而系统的响应速度将变大。

② 当锅炉主控器中的比例增益增大时,汽机侧响应输出的超调量不会发生太大的变化,而趋于稳态的时间将有所变大,锅炉侧响应输出的超调量将变大,同时响应趋于稳态的时间也将增大,并且其输出会出现越来越强的振荡;当积分增益增大时,汽机侧响应输出没有明显的变化,锅炉侧响应输出的超调量将变大,趋于稳态的时间也将变大,并且出

图3.3（b）对象后汽机 图3.4（b）对象后锅炉 侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线

3.4鲁棒性试验

3.4.1在只有压力处来扰动时，改变汽机侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得汽机侧对象参数的变化范围为K：0.0139~0.556；T：7~490

3.4.2 在只有功率处来扰动时，改变锅炉侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真

现强烈的振荡。

③ 在功率扰动下，当解耦系数K增大时,汽机侧响应输出的超调量都将变大,趋于稳态的时间变小，锅炉侧响应输出并没有很明显的变化。

图4.3(a)对象前汽机 图4.4(a)对象前锅炉 侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线

图4.2（a）功率定值 图4.2(b)主汽压力定值 扰动下响应曲线图 扰动下响应曲线图

4.2.3较好控制效果的参数范围 ① 汽机主控制器： δ:100~200 ki: 0~10 ② 锅炉主控制器： δ: 2~10 ki: ≤0.1 ③ 解耦系数K: ≤0.3 4.2.4 最佳参数配置 ① 汽机主控制器： δ=150 ki=0.3 ② 锅炉主控制器： δ=4 ki=0.04 ③ 解耦系数K=0.001 4.3对扰动的仿真与分析 4.3.1 在最佳参数配置下：

图4.3(b)对象后汽机 图4.4(b)对象后锅炉 侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线

4.4鲁棒性试验

4.4.1在只有压力处来扰动时，改变汽机侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得汽机侧对象参数的变化范围为K：≥0.0278；T：≤200

4.4.2在只有功率处来扰动时，改变锅炉侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得锅炉侧对象参数的变化范围为K：1.0345~4.138；T：120~600

5、基于炉跟机的协调控制方案的

仿真研究 ①仅在对象前汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的

5.1原理方框图（如图5.1） 响应输出如图4.3（a）所示；

②仅在对象后汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的 响应输出如图4.3（b）所示；

μ PT ③仅在对象前锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的N0 - + + – PI1 响应输出如图4.4（a）所示；

④仅在对象后锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的 K1 响应输出如图4.4（b）所示 K2 4.3.2仿真结果

+ + PI2 P0 - + Ｂ NE 图5.1协调控制方案原理方框图

5.2仿真结果及其分析 ② 锅炉主控制器： 5.2.1在Matlab工作界面下，根据图5.1所δ: 30~100 ki: ≤1 示将仿真方框图连接好。 ③ 解耦系数:K1: ≥10 K2: ≤0.1

①仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出

5.2.4 最佳参数配置

如图5.2（a）所示；

① 汽机主控制器： ②仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出

δ=80 ki=10 如图5.2（b）所示；

② 锅炉主控制器： δ=40 ki=0.5

③ 解耦系数K1=35 K2=0.01 5.3对扰动的仿真与分析 5.3.1 在最佳参数配置下：

①仅在对象前汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.3（a）所示；

②仅在对象后汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.3（b）所示；

③仅在对象前锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.4（a）所示；

④仅在对象后锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.4（b）所示

图5.2(a)功率定值 图5.2(b)主汽压力定值 扰动下响应曲线 扰动下响应曲线

5.2.2 仿真过程中现象分析

① 当汽机主控器中比例增益增大时，机炉两侧的响应输出不会有很大的变化，但是系统响应的速度更会变快；当积分增益变大时，系统响应的速度会变的更慢。

② 当锅炉主控器中比例增益增大时，机炉两侧的控制品质都将变差，表现在输出响应会有越来越强的振荡，超调量会越来越大。当积分增益变大时，汽机侧响应输出的控制品质会有所改善，但锅炉侧响应输出的控制品质将会变差。 ③ 在功率处来扰动，若解耦系数K1变大时，机炉两侧响应输出的超调量都将减小，且两侧的控制品质都有明显的改进，但趋于稳态时间将有所变大。 ④ 在压力处来扰动，若解耦系数K2变大时,机炉两侧的控制效果都将下降,主要表现为锅炉侧出现越来越强的振荡,且超调量越来越大。

5.2.3 较好控制效果的参数范围 ① 汽机主控制器：

δ: 10~200 ki: ≤100

5.3.2仿真结果

图5.3(a)对象前汽机 图5.4(a)对象前锅炉 侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线

图5.3(b)对象前汽机 图5.4(b)对象前锅炉 侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线

5.4鲁棒性试验

5.4.1在只有压力处来扰动时，改变汽机侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得汽机侧对象参数的变化范围为K：≥0.087；T：≤700

5.4.2在只有功率处来扰动时，改变锅炉侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得锅炉侧对象参数的变化范围为K：1.0345~12.414；T：100~650

6、结论

通过以上仿真研究，可以发现： ①炉跟机运行方式，如果使功率适应性强，那么压力波动大。适合于以汽机为主的运行方式。

②机跟炉运行方式，如果使压力波动小，那么功率适应性就差。适合于以锅炉为主的运行方式。

③协调运行方式能较好地折中机炉两侧的控制品质，具有较强的对象适应能力和抗干扰性能，但该方案结构复杂，系统的参数整定困难。

④三种运行方式均具有一定的鲁棒性。

参考文献

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